Les catalyseurs sont le résultat de chimistes cherchant à percer la beauté des molécules et le mystère des réactions chimiques. Professeur Jeong Young Park, dont les recherches portent sur les réactions chimiques catalytiques, ne fait pas exception. Son équipe de recherche a récemment fait des percées en répondant à des questions de longue date pour comprendre les mécanismes de réaction sur les catalyseurs bimétalliques.

Au cours des études rapportées dans Avancées scientifiques , après la parution dans Communication Nature ce mois-ci, L'équipe de recherche du professeur Park a identifié que la formation d'interfaces métal-oxyde est le facteur clé responsable de l'effet catalytique synergique dans les catalyseurs bimétalliques. L'équipe a confirmé ce mécanisme réactionnel fondamental grâce à l'imagerie in situ des conditions de réaction. Il s'agit de la première visualisation de surfaces bimétalliques dans des conditions de réaction, signifiant le rôle des interfaces métal-oxyde dans la catalyse hétérogène.

Les matériaux bimétalliques ont des performances catalytiques exceptionnelles, qui ouvre une nouvelle voie pour contrôler les structures électroniques et l'énergie de liaison dans les catalyseurs. Malgré des recherches considérables sur diverses efficacités de réaction catalytique, il y a encore des questions sans réponse sur les principes sous-jacents à l'amélioration des performances. Encore plus, il était très difficile de comprendre ce qui a conduit à l'efficacité parce que la structure, composition chimique, et l'état d'oxydation des matériaux bimétalliques change en fonction des conditions de réaction.

Récemment, des groupes de recherche ont suggéré que les sites interfaciaux oxyde-métal formés par la ségrégation en surface de nanoparticules bimétalliques pourraient être responsables de l'augmentation des performances catalytiques. Cependant, ils n'ont présenté aucune preuve définitive illustrant la nature physique ou le rôle fondamental des interfaces oxyde-métal conduisant à l'amélioration des performances.

Pour répondre spécifiquement à ce défi, l'équipe de recherche a réalisé des observations in situ de modulation structurelle sur des catalyseurs bimétalliques platine-nickel dans des conditions d'oxydation du monoxyde de carbone avec une microscopie à effet tunnel à pression ambiante et une spectroscopie photoélectronique à rayons X à pression ambiante.

L'équipe a observé que les catalyseurs bimétalliques platine-nickel présentaient une variété de structures différentes en fonction des conditions de gaz. Dans des conditions d'ultravide, la surface présentait une couche superficielle de platine sur la surface en alliage platine-nickel, ségrégation sélective du nickel suivie de la formation d'agrégats d'oxyde de nickel à l'aide d'oxygène gazeux, et enfin la coexistence d'amas d'oxyde de nickel sur la peau de platine lors de l'oxydation du monoxyde de carbone. L'équipe de recherche a découvert que la formation de nanostructures interfaciales d'oxyde de platine et de nickel est responsable d'une étape très efficace dans la réaction d'oxydation du monoxyde de carbone.

Ces résultats illustrent que l'amélioration de l'activité catalytique sur la surface du catalyseur bimétallique provient des voies de réaction thermodynamiquement efficaces à l'interface métal-oxyde métallique, ce qui démontre un processus simple pour le fort effet d'interaction métal-support. La formation de ces nanostructures interfaciales métal-oxyde métallique augmente l'activité catalytique tout en fournissant une voie de réaction thermodynamiquement efficace en abaissant la chaleur des réactions sur la surface.

Le professeur Park a déclaré qu'une façon de surveiller les catalyseurs consiste à détecter les électrons chauds associés aux processus de dissipation et de conversion d'énergie au cours des réactions de surface. Son équipe a dirigé la détection en temps réel d'électrons chauds générés sur des nanoparticules bimétalliques de PtCo lors de l'oxydation exothermique de l'hydrogène. L'équipe a clarifié avec succès l'origine de l'activité catalytique synergique des nanoparticules de PtCo avec les valeurs de courant chimique correspondantes.

En estimant le rendement du courant chimique, l'équipe de recherche conclut que les propriétés catalytiques des nanoparticules bimétalliques sont fortement régies par l'interface oxyde-métal, ce qui facilite le transfert d'électrons chauds.

Le professeur Park a expliqué, "Nous pensons que la mesure précise des électrons chauds sur les catalyseurs donne un aperçu du mécanisme de la catalyse hétérogène, qui peut aider à la conception intelligente de matériaux hautement réactifs. Le contrôle de l'activité catalytique via l'ingénierie électronique des catalyseurs est une perspective prometteuse qui peut ouvrir la porte au nouveau domaine de la combinaison de la catalyse avec l'électronique, appelé "catalytronique". » Il a ajouté que l'étude établit également une stratégie pour améliorer l'activité catalytique pour les réactions catalytiques dans les réacteurs chimiques industriels.